C++性能优化指南电子书

O'Reilly Media, Inc. 介绍

前言

第1章 优化概述

1.1 优化是软件开发的一部分

1.2 优化是高效的

1.3 优化是没有问题的

1.4 这儿一纳秒，那儿一纳秒

1.5 C++ 代码优化策略总结

1.5.1 用好的编译器并用好编译器

1.5.2 使用更好的算法

1.5.3 使用更好的库

1.5.4 减少内存分配和复制

1.5.5 移除计算

1.5.6 使用更好的数据结构

1.5.7 提高并发性

1.5.8 优化内存管理

1.6 小结

第2章 影响优化的计算机行为

2.1 C++ 所相信的计算机谎言

2.2 计算机的真相

2.2.1 内存很慢

2.2.2 内存访问并非以字节为单位

2.2.3 某些内存访问会比其他的更慢

2.2.4 内存字分为大端和小端

2.2.5 内存容量是有限的

2.2.6 指令执行缓慢

2.2.7 计算机难以作决定

2.2.8 程序执行中的多个流

2.2.9 调用操作系统的开销是昂贵的

2.3 C++ 也会说谎

2.3.1 并非所有语句的性能开销都相同

2.3.2 语句并非按顺序执行

2.4 小结

第3章 测量性能

3.1 优化思想

3.1.1 必须测量性能

3.1.2 优化器是王牌猎人

3.1.3 90/10规则

3.1.4 阿姆达尔定律

3.2 进行实验

3.2.1 记实验笔记

3.2.2 测量基准性能并设定目标

3.2.3 你只能改善你能够测量的

3.3 分析程序执行

3.4 测量长时间运行的代码

3.4.1 一点关于测量时间的知识

3.4.2 用计算机测量时间

3.4.3 克服测量障碍

3.4.4 创建 stopwatch 类

3.4.5 使用测试套件测量热点函数

3.5 评估代码开销来找出热点代码

3.5.1 评估独立的 C++ 语句的开销

3.5.2 评估循环的开销

3.6 其他找出热点代码的方法

3.7 小结

第4章 优化字符串的使用：案例研究

4.1 为什么字符串很麻烦

4.1.1 字符串是动态分配的

4.1.2 字符串就是值

4.1.3 字符串会进行大量复制

4.2 第一次尝试优化字符串

4.2.1 使用复合赋值操作避免临时字符串

4.2.2 通过预留存储空间减少内存的重新分配

4.2.3 消除对参数字符串的复制

4.2.4 使用迭代器消除指针解引

4.2.5 消除对返回的字符串的复制

4.2.6 用字符数组代替字符串

4.2.7 第一次优化总结

4.3 第二次尝试优化字符串

4.3.1 使用更好的算法

4.3.2 使用更好的编译器

4.3.3 使用更好的字符串库

4.3.4 使用更好的内存分配器

4.4 消除字符串转换

4.4.1 将 C 字符串转换为 std::string

4.4.2 不同字符集间的转换

4.5 小结

第5章 优化算法

5.1 算法的时间开销

5.1.1 最优情况、平均情况和最差情况的时间开销

5.1.2 摊销时间开销

5.1.3 其他开销

5.2 优化查找和排序的工具箱

5.3 高效查找算法

5.3.1 查找算法的时间开销

5.3.2 当 n 很小时，所有算法的时间开销都一样

5.4 高效排序算法

5.4.1 排序算法的时间开销

5.4.2 替换在最差情况下性能较差的排序算法

5.4.3 利用输入数据集的已知特性

5.5 优化模式

5.5.1 预计算

5.5.2 延迟计算

5.5.3 批量处理

5.5.4 缓存

5.5.5 特化

5.5.6 提高处理量

5.5.7 提示

5.5.8 优化期待路径

5.5.9 散列法

5.5.10 双重检查

5.6 小结

第6章 优化动态分配内存的变量

6.1 C++ 变量回顾

6.1.1 变量的存储期

6.1.2 变量的所有权

6.1.3 值对象与实体对象

6.2 C++ 动态变量 API 回顾

6.2.1 使用智能指针实现动态变量所有权的自动化

6.2.2 动态变量有运行时开销

6.3 减少动态变量的使用

6.3.1 静态地创建类实例

6.3.2 使用静态数据结构

6.3.3 使用 std::make_shared 替代 new 表达式

6.3.4 不要无谓地共享所有权

6.3.5 使用“主指针”拥有动态变量

6.4 减少动态变量的重新分配

6.4.1 预分配动态变量以防止重新分配

6.4.2 在循环外创建动态变量

6.5 移除无谓的复制

6.5.1 在类定义中禁止不希望发生的复制

6.5.2 移除函数调用上的复制

6.5.3 移除函数返回上的复制

6.5.4 免复制库

6.5.5 实现写时复制惯用法

6.5.6 切割数据结构

6.6 实现移动语义

6.6.1 非标准复制语义：痛苦的实现

6.6.2 std::swap() ：“穷人”的移动语义

6.6.3 共享所有权的实体

6.6.4 移动语义的移动部分

6.6.5 更新代码以使用移动语义

6.6.6 移动语义的微妙之处

6.7 扁平数据结构

6.8 小结

第7章 优化热点语句

7.1 从循环中移除代码

7.1.1 缓存循环结束条件值

7.1.2 使用更高效的循环语句

7.1.3 用递减替代递增

7.1.4 从循环中移除不变性代码

7.1.5 从循环中移除无谓的函数调用

7.1.6 从循环中移除隐含的函数调用

7.1.7 从循环中移除昂贵的、缓慢改变的调用

7.1.8 将循环放入函数以减少调用开销

7.1.9 不要频繁地进行操作

7.1.10 其他优化技巧

7.2 从函数中移除代码

7.2.1 函数调用的开销

7.2.2 简短地声明内联函数

7.2.3 在使用之前定义函数

7.2.4 移除未使用的多态性

7.2.5 放弃不使用的接口

7.2.6 用模板在编译时选择实现

7.2.7 避免使用 PIMPL 惯用法

7.2.8 移除对 DDL 的调用

7.2.9 使用静态成员函数取代成员函数

7.2.10 将虚析构函数移至基类中

7.3 优化表达式

7.3.1 简化表达式

7.3.2 将常量组合在一起

7.3.3 使用更高效的运算符

7.3.4 使用整数计算替代浮点型计算

7.3.5 双精度类型可能会比浮点型更快

7.3.6 用闭形式替代迭代计算

7.4 优化控制流程惯用法

7.4.1 用 switch 替代 if-else if-else

7.4.2 用虚函数替代 switch 或 if

7.4.3 使用无开销的异常处理

7.5 小结

第8章 使用更好的库

8.1 优化标准库的使用

8.1.1 C++ 标准库的哲学

8.1.2 使用 C++ 标准库的注意事项

8.2 优化现有库

8.2.1 改动越少越好

8.2.2 添加函数，不要改动功能

8.3 设计优化库

8.3.1 草率编码后悔多

8.3.2 在库的设计上，简约是一种美德

8.3.3 不要在库内分配内存

8.3.4 若有疑问，以速度为准

8.3.5 函数比框架更容易优化

8.3.6 扁平继承层次关系

8.3.7 扁平调用链

8.3.8 扁平分层设计

8.3.9 避免动态查找

8.3.10 留意“上帝函数”

8.4 小结

第9章 优化查找和排序

9.1 使用 std::map 和 std::string 的键值对表

9.2 改善查找性能的工具箱

9.2.1 进行一次基准测量

9.2.2 识别出待优化的活动

9.2.3 分解待优化的活动

9.2.4 修改或替换算法和数据结构

9.2.5 在自定义抽象上应用优化过程

9.3 优化 std::map 的查找

9.3.1 以固定长度的字符数组作为 std::map 的键

9.3.2 以 C 风格的字符串组作为键使用 std::map

9.3.3 当键就是值的时候，使用 map 的表亲 std::set

9.4 使用 <algorithm> 头文件优化算法

9.4.1 以序列容器作为被查找的键值对表

9.4.2 std::find() ：功能如其名，O(n) 时间开销

9.4.3 std::binary_search() ：不返回值

9.4.4 使用 std::equal_range() 的二分查找

9.4.5 使用 std::lower_bound() 的二分查找

9.4.6 自己编写二分查找法

9.4.7 使用 strcmp() 自己编写二分查找法

9.5 优化键值对散列表中的查找

9.5.1 使用 std::unordered_map 进行散列

9.5.2 对固定长度字符数组的键进行散列

9.5.3 以空字符结尾的字符串为键进行散列

9.5.4 用自定义的散列表进行散列

9.6 斯特潘诺夫3的抽象惩罚

9.7 使用 C++ 标准库优化排序

9.8 小结

第10章 优化数据结构

10.1 理解标准库容器

10.1.1 序列容器

10.1.2 关联容器

10.1.3 测试标准库容器

10.2 std::vector 与 std::string

10.2.1 重新分配的性能影响

10.2.2 std::vector 中的插入与删除

10.2.3 遍历 std::vector

10.2.4 对 std::vector 排序

10.2.5 查找 std::vector

10.3 std::deque

10.3.1 std::deque 中的插入和删除

10.3.2 遍历 std::deque

10.3.3 对 std::deque 的排序

10.3.4 查找 std::deque

10.4 std::list

10.4.1 std::list 中的插入和删除

10.4.2 遍历 std::list 中

10.4.3 对 std::list 排序

10.4.4 查找 std::list

10.5 std::forward_list

10.5.1 std::forward_list 中的插入和删除

10.5.2 遍历 std::forward_list

10.5.3 对 std::forward_list 排序

10.5.4 查找 std::forward_list

10.6 std::map 与 std::multimap

10.6.1 std::map 中的插入和删除

10.6.2 遍历 std::map

10.6.3 对 std::map 排序

10.6.4 查找 std::map

10.7 std::set 与 std::multiset

10.8 std::unordered_map 与 std::unordered_multimap

10.8.1 std::unordered_map 中的插入与删除

10.8.2 遍历 std::unordered_map

10.8.3 查找 std::unordered_map

10.9 其他数据结构

10.10 小结

第11章 优化 I/O

11.1 读取文件的秘诀

11.1.1 创建一个吝啬的函数签名

11.1.2 缩短调用链

11.1.3 减少重新分配

11.1.4 更大的吞吐量——使用更大的输入缓冲区

11.1.5 更大的吞吐量——一次读取一行

11.1.6 再次缩短函数调用链

11.1.7 无用的技巧

11.2 写文件

11.3 从 std::cin 读取和向 std::cout 中写入

11.4 小结

第12章 优化并发

12.1 复习并发

12.1.1 并发概述

12.1.2 交叉执行

12.1.3 顺序一致性

12.1.4 竞争

12.1.5 同步

12.1.6 原子性

12.2 复习 C++ 并发方式

12.2.1 线程

12.2.2 promise 和 future

12.2.3 异步任务

12.2.4 互斥量

12.2.5 锁

12.2.6 条件变量

12.2.7 共享变量上的原子操作

12.2.8 展望未来的 C++ 并发特性

12.3 优化多线程 C++ 程序

12.3.1 用 std::async 替代 std::thread

12.3.2 创建与核心数量一样多的可执行线程

12.3.3 实现任务队列和线程池

12.3.4 在单独的线程中执行 I/O

12.3.5 没有同步的程序

12.3.6 移除启动和停止代码

12.4 让同步更加高效

12.4.1 减小临界区的范围

12.4.2 限制并发线程的数量

12.4.3 避免惊群

12.4.4 避免锁护送

12.4.5 减少竞争

12.4.6 不要在单核系统上繁忙等待

12.4.7 不要永远等待

12.4.8 自己设计互斥量可能会低效

12.4.9 限制生产者输出队列的长度

12.5 并发库

12.6 小结

第13章 优化内存管理

13.1 复习 C++ 内存管理器 API

13.1.1 动态变量的生命周期

13.1.2 内存管理函数分配和释放内存

13.1.3 new 表达式构造动态变量

13.1.4 delete 表达式处置动态变量

13.1.5 显式析构函数调用销毁动态变量

13.2 高性能内存管理器

13.3 提供类专用内存管理器

13.3.1 分配固定大小内存的内存管理器

13.3.2 内存块分配区

13.3.3 添加一个类专用 new() 运算符

13.3.4 分配固定大小内存块的内存管理器的性能

13.3.5 分配固定大小内存块的内存管理器的变化形式

13.3.6 非线程安全的内存管理器是高效的

13.4 自定义标准库分配器

13.4.1 最小 C++11分配器

13.4.2 C++98分配器的其他定义

13.4.3 一个分配固定大小内存块的分配器

13.4.4 字符串的分配固定大小内存块的分配器

13.5 小结

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